哈伯與諾貝爾化學獎
翻閱諾貝爾化學獎的記錄，就能看到處1916?1917年沒有頒獎，因為這期間，歐洲正經(jīng)歷著第一次世界大戰(zhàn)，1918年頒了獎， 化學獎授予德國化學家哈伯。這引起了科學家的議論，英法等國的一些科學家公開地表示反對，他們認為，哈伯沒有資格獲得這一榮譽。這究竟是為什么？ 隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對氮肥的需求量在迅速增長。在19世紀以前，農(nóng)業(yè)上所需氮肥的來源主要來自有機物的副產(chǎn)品，如糞類、種子餅及綠肥。1809年在智利發(fā)現(xiàn)了一個很大的硝酸鈉礦產(chǎn)地，并很快被開采。一方面由于這一礦藏有限，另一方面，軍事工業(yè)生產(chǎn)炸藥也需要大量的硝石，因此解決氮肥來源必須另辟途徑。 一些有遠見的化學家指出：考慮到將來的糧食問題，為了使子孫后代免于饑餓，我們必須寄希望于科學家能實現(xiàn)大氣固氮。因此將空氣中豐富的氮固定下來并轉化為可被利用的形式，在20世紀初成為一項受到眾多科學家注目和關切的重大課題。哈伯就是從事合成氨的工藝條件試驗和理論研究的化學家之一。 利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產(chǎn)，約經(jīng)歷了150年的時間。1795年有人試圖在常壓下進行氨合成，后來又有人在50個大氣壓下試驗，結果都失敗了。19世紀下半葉，物理化學的巨大進展，使人們認識到由氮、氫合成氨的反應是可逆的，增加壓力將使反應推向生成氨的方向：提高溫度會將反應移向相反的方向，然而溫度過低又使反應速度過��；催化劑對反應將產(chǎn)生重要影響。這實際上就為合成氨的試驗提供了理論指導。當時物理化學的權威、德國的能斯特就明確指出：氮和氫在高壓條件下是不能夠合成氨的，并提供了一些實驗數(shù)據(jù)。法國化學家勒夏特里第一個試圖進行高壓合成氨的實驗，但是由于氮氫混和氣中混進了氧氣，引起了爆炸，使他放棄了這一危險的實驗。在物理化學研究領域有很好基礎的哈伯決心攻克這一令人生畏的難題。 哈伯首先進行一系列實驗，探索合成氨的最佳物理化學條件。在實驗中他所取得的某些數(shù)據(jù)與能斯特的有所不同，他并不盲從權威，而是依靠實驗來檢驗，終于證實了能斯特的計算是錯誤的。在一位來自英國的學生洛森諾的協(xié)助下，哈伯成功地設計出一套適于高壓實驗的裝置和合成氨的工藝流程，這流程是：在熾熱的焦炭上方吹人水蒸汽，可以獲得幾乎等體積的一氧化碳和氫氣的混和氣體。其中的一氧化碳在催化劑的作用下，進一步與水蒸汽反應，得到二氧化碳和氫氣。然后將混和氣體在一定壓力下溶于水，二氧化碳被吸收，就制得了較純凈的氫氣。同樣將水蒸汽與適量的空氣混和通過紅熱的炭，空氣中的氧和碳便生成一氧化碳和二氧化碳而被吸收除掉，從而得到了所需要的氮氣。 氮氣和氫氣的混和氣體在高溫高壓的條件下及催化劑的作用下合成氨。但什么樣的高溫和高壓條件為最佳？以什么樣的催化劑為最好？這還必須花大力氣進行探索。以鍥而不舍的精神，經(jīng)過不斷的實驗和計算，哈伯終于在1909年取得了鼓舞人心的成果。這就是在600℃的高溫、200個大氣壓和鋨為催化劑的條件下，能得到產(chǎn)率約為8％的合成氨。8％的轉化率不算高，當然會影響生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。哈伯知道合成氨反應不可能達到象硫酸生產(chǎn)那么高的轉化率，在硫酸生產(chǎn)中二氧化硫氧化反應的轉化率幾乎接近于100％。怎么辦？哈伯認為若能使反應氣體在高壓下循環(huán)加工，并從這個循環(huán)中不斷地把反應生成的氨分離出來，則這個工藝過程是可行的。于是他成功地設計了原料氣的循環(huán)工藝。這就是合成氨的哈伯法。 走出實驗室，進行工業(yè)化生產(chǎn)，仍將要付出艱辛的勞動。哈伯將他設計的工藝流程申請了專利后，把它交給了德國當時最大的化工企業(yè)??巴登苯胺和純堿制造公司。這個公司原先計劃采用以電弧法生產(chǎn)氧化氮，然后合成氨的生產(chǎn)方法。兩相比較，公司立即取消了原先的計劃，、組織了以化工專家波施為首的工程技術人員將哈伯的設計付諸實施。 首先，根據(jù)哈伯的工藝流程，他們找到了較合理的方法，生產(chǎn)出大量廉價的原料氮氣、氫氣。通過試驗，他們認識到鋨雖然是非常好的催化劑，但是它難于加工，因為它與空氣接觸時，易轉變?yōu)閾]發(fā)性的四氧化物，另外這種稀有金屬在世界上的儲量極少。哈伯建議的第二種催化劑是鈾。鈾不僅很貴，而且對痕量的氧和水都很敏感。為了尋找高效穩(wěn)定的催化劑，兩年問，他們進行了多達6500次試驗，測試了2500種不同的配方，最后選定了含鉛鎂促進劑的鐵催化劑。開發(fā)適用的高壓設備也是工藝的關鍵。當時能受得住200個大氣壓的低碳鋼，卻害怕氫氣的脫碳腐蝕。波施想了許多辦法，最后決定在低碳鋼的反應管子里加一層熟鐵的村里，熟鐵雖沒有強度，卻不怕氫氣的腐蝕，這樣總算解決了難題。 哈伯的合成氨的設想終于在1913年得以實現(xiàn)，一個日產(chǎn)30噸的合成氨工廠建成并投產(chǎn)。從此合成氨成為化學工業(yè)中發(fā)展較快，十分活躍的一個部分。合成氨生產(chǎn)方法的創(chuàng)立不僅開辟了獲取固定氮的途徑，更重要的是這一生產(chǎn)工藝的實現(xiàn)對整個化學工藝的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。合成氨的研究來自正確的理論指導，反過來合成氨生產(chǎn)工藝的研試又推動了科學理論的發(fā)展。鑒于合成氨工業(yè)生產(chǎn)的實現(xiàn)和它的研究對化學理論發(fā)展的推動，決定把諾貝爾化學獎授予哈伯是正確的。哈伯接受此獎也是當之無愧的。
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